Localizzazione via Rete Cellulare

La localizzazione tramite rete cellulare (network) prevede due vie principali: l’approccio Cell-based, ovvero per mezzo di una singola cella telefonica e quello Triangulation-based, ove le celle considerate sono (alme- no) tre. In ambedue i casi si assume che un telefono cellulare sia sempre

in comunicazione con i più vicini ripetitori di segnale telefonico, anche quando non è in corso alcuna chiamata.

I metodi operano su una Public Land Mobile Network (PLMN) e cioè su una rete che ciascun operatore instaura e rende operativa allo scopo di fornire al pubblico il servizio di telefonia mobile. In una singola nazione possono esserci operatori diversi e quindi più reti PLMN distinte. Cia- scuna di esse è suddivisa in aree che sono individuate da un codice che i tecnici chiamano LAC (Location Area Code) e la cui grandezza non è fissa, ma dipende da come è progettata la rete del singolo operatore. All’interno di queste aree sono presenti svariate stazioni radio base capaci di fornire il servizio telefonico: chiamate comunemente celle o BTS (Base Transceiver

Station), prevedono una numerazione univoca (Cell-ID) nella specifica area

considerata [Gar07].

1.3.2.1 Localizzazione Cell-based

La soluzione più semplice al problema del posizionamento via rete cel- lulare è la cosiddetta Cell-ID positioning, alternativamente nota come me- todo COO (Cell Of Origin) [Inc02]. L’approccio considerato prevede che la posizione corrente del dispositivo mobile sia la stessa di quella associata alla stazione radio base a cui il terminale è agganciato. Quanto appena af- fermato discende dall’ipotesi che il terminale sia agganciato alla cella col più forte segnale rilevato che di norma è anche quella a minor distanza dal dispositivo. Tuttavia, anche in condizioni ottimali, la precisione è comun- que relativa alla distanza con cui sono disposte le stazioni base all’interno della LAC. Esistono zone ben servite in cui la densità e la distanza fra le celle è piccola, come negli agglomerati urbani, viceversa alcune aree rurali o secondarie prevedono poche stazioni, anche poste a grandi distanza le une dalle altre. Nel primo caso la precisione ottenibile è di qualche centi- naio di metri, nel secondo si hanno stime con accuratezza assai inferiore, nell’ordine del chilometro.

Quando un utente è agganciato a una cella con un determinato Cell-ID, è possibile approssimare la sua posizione con quella della stazione base.

(a) Posizione in O e incertezza Covered Area

(b) Posizione in O e incertezza Rts

Figura 1.18:Localizzazione Cell-based

In figura 1.18(a) si può far riferimento all’origine O del cerchio azzurro che idealmente rappresenta l’area di copertura della BTS. L’intera area di copertura (Covered Area) indica l’incertezza del posizionamento. Per raf- finare questa tecnica è possibile tenere in considerazione le informazioni

temporali (timestamp) che il dispositivo e la cella si scambiano al momento in cui accadono determinati eventi di sistema utili a realizzare il servizio telefonico. Come indicato in figura 1.18(b), ciò consente di individuare con maggior precisione l’ubicazione del dispositivo posizionandolo su una co- rona circolare (in celeste scuro) che nel caso ideale individua una circonfe- renza. In questo caso, l’incertezza della localizzazione diminuisce e non è più l’intera area di copertura della cella, ma si restringe sul cerchio di rag- gio Rts. Ulteriori raffinamenti si hanno quando le aree di copertura delle celle non sono ottenute per mezzo di antenne omnidirezionali come quelle considerate, ma da un insieme di antenne direttive.

Oltre alla già citata impredicibile e minore accuratezza rispetto al si- stema GPS, il metodo COO si basa su un assunto non sempre rispettato: non è detto che la cella agganciata dal dispositivo mobile sia quella a po- tenza maggiore e anche qualora lo fosse, non è necessariamente vero che quest’ultima sia la più vicina. Inoltre, apprendere i valori di LAC e Cell- ID (espressi con numeri decimali o esadecimali) non significa ottenere le coordinate geografiche in latitudine, longitudine e altitudine: allo scopo occorre ricorrere a opportune elaborazioni.

1.3.2.2 Localizzazione Triangulation-based

Un altro approccio comunemente utilizzato per risolvere il problema della localizzazione si basa sull’idea della triangolazione. Estendendo quanto descritto nel paragrafo precedente, è anche possibile prendere in considerazione un maggior numero di BTS, nel qual caso la triangolazione dei dati forniti può consentire una più corretta ipotesi sulla posizione del cellulare.

Il metodo prevede di usare una funzione capace di restituire la distan- za da ciascuna cella visibile dal dispositivo mobile, in base alla misurazio- ne della potenza dei segnali ricevuti. Come rappresentato in figura 1.19(a), quando la distanza di almeno tre celle viene determinata, l’intersezione dei relativi cerchi incentrati nelle celle permette d’individuare la posizione corrente del terminale (area di colore celeste scuro). Anche in questo caso,

(a) Posizione nell’area intersezione delle tre Covered Area

(b) Posizione all’intersezione delle tre circonferenze di raggio Rts1, Rts2, Rts3

se vengono prese in esame le informazioni temporali scambiate con le va- rie stazioni base (timestamp), la localizzazione può essere più precisa. In figura 1.19(b) è possibile notare come il dispositivo mobile all’interno del- l’area frutto dell’intersezione delle Covered Area è posizionato all’incrocio delle tre circonferenze rispettivamente di raggio Rts1, Rts2, Rts3.

La localizzazione per mezzo della triangolazione è sicuramente più precisa di quella ottenibile con l’approccio Cell-based, ma possono esserci dei seri problemi quando anche una sola delle stime della distanza dalle stazioni radio base è di scarsa qualità. Le misurazioni del segnale sono in- trinsecamente rumorose a causa di svariati fattori e pertanto i cerchi dise- gnati intorno alle BTS potrebbero non intersecarsi, nel quel caso il metodo non produrrebbe alcun risultato utile. L’approccio fallisce anche se non si riescono ad osservare almeno tre celle e ciò può accadere quando ci si trova in luoghi con ingombranti ostacoli ambientali.

Anche l’approccio Triangulation-based prevede la conoscenza delle in- formazioni relative alla posizione delle stazioni radio base, altrimenti è impossibile realizzare la localizzazione.